DE1119232B

DE1119232B - Method and device for carrying out physical and / or chemical reactions between gases and / or vapors on the one hand and solids and / or liquids on the other hand in a free-floating swirling suspension

Info

Publication number: DE1119232B
Application number: DEM42528A
Authority: DE
Inventors: Dr Franz Schytil; Dipl-Ing Lothar Reh; Heinz Ebert; Herbert Trillhase
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1959-08-24
Filing date: 1959-08-24
Publication date: 1961-12-14
Also published as: CH388915A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung von physikalischen und oder chemischen Reaktionen zwischen Gasen und/oder Dämpfen einerseits und Feststoffen und/oder Flüssigkeiten andererseits in einer frei schwebenden wirbelnden Suspension Es ist bekannt, rostlose Reaktoren mit nach oben zunehmendem Querschnitt in der Weise diffusorförmig auszubilden, daß der Öffnungswinkel so bemessen wird, daß die Strömung des von unten durch die Eintrittsdüse eingeleiteten Gases mindestens über einen beträchtlichen Teil der Höhe des Apparates nicht von der Wand abreißt. Auch ist bekannt, daß man in solchen Reaktoren frei schwebende Wirbelschichten aus festen und/oder flüssigen und/oder klebrigen bzw. teigigen Partikeln ausbilden und diese Partikeln, die im folgenden der Kürze halber » suspendierter Stoff« genannt sind, darin außerordentlich gleichmäßig und wirksam durchwirbeln und gegebenenfalls sogar agglomerieren und granulieren kann. Method and device for performing physical and or chemical reactions between gases and / or vapors on the one hand and solids and / or liquids, on the other hand, in a free-floating swirling suspension It is known, rustless reactors with an upward increasing cross-section in the Way to design diffuser-shaped that the opening angle is dimensioned so that the Flow of the gas introduced from below through the inlet nozzle at least over does not tear off a considerable part of the height of the apparatus from the wall. Even it is known that in such reactors free-floating fluidized beds made of solid and / or form liquid and / or sticky or pasty particles and these Particles, which are referred to in the following for the sake of brevity as "suspended matter", whirl through it extremely evenly and effectively, and possibly even can agglomerate and granulate.

Durch Abstimmung der Trägergasgeschwindigkeit auf die Teilchengröße und die Einspeisegeschwindigkeit kann man entweder stationäre, dauernd im Reaktor verbleibende Wirbelschichten erzeugen oder den suspendierten Stoff wahlweise nach unten durch die Gaseintrittsdüse ausregnen oder vom Gas nach oben austragen lassen. Bei richtiger Wahl des Öffnungswinkels - im allgemeinen hat sich ein Einführungswinkel von 120 im unteren Teil als optimal erwiesen - bildet sich dann im unteren Teil des Reaktionsraumes ein Stopfvorgang aus, der durch eine hohe Teilchenkonzentration gekennzeichnet ist. Aus dieser Stopfzone sinken einzelne Teilchen noch etwas weiter nach unten. Die Mehrzahl der Partikeln erhält aber durch zufällige Schwankungen der Gasgeschwindigkeit Impulse, welche die Teilchen nach oben bewegen. Infolge des nach oben hin zunehmenden Querschnitts des Reaktionsraumes verlangsamt sich der Trägergasstrom anschließend, die Teilchen kehren nach einer gewissen Flugstrecke zurück, und das Spiel wiederholt sich. Schließlich ist es auch bekannt, den Öffnungswinkel des Apparates nach oben hin zunehmen zu lassen, wodurch man den Vorteil erzielt, daß in einer gegebenen Bauhöhe ein maximales Reaktorvolumen bei Einhaltung der Forderung der Diffusorwirkung untergebracht werden kann. By adjusting the carrier gas speed to the particle size and the feed rate can be either steady-state, permanent in the reactor Generate remaining fluidized beds or optionally after the suspended matter Rain down through the gas inlet nozzle or let the gas discharge upwards. With the right choice of opening angle - in general, there is a lead-in angle of 120 in the lower part proved to be optimal - then forms in the lower part of the reaction chamber from a stuffing process, which is caused by a high particle concentration is marked. Individual particles sink a little further from this stuffing zone downward. The majority of the particles are given by random fluctuations the gas velocity impulses that move the particles upwards. As a result of the the increasing cross-section of the reaction space slows down Carrier gas flow then, the particles return after a certain flight distance back and the game repeats itself. Finally, it is also known the opening angle to let the apparatus increase upwards, whereby one achieves the advantage, that in a given overall height a maximum reactor volume in compliance with the requirement the diffuser effect can be accommodated.

Es wurde nun festgestellt, daß die Trägergasgeschwindigkeit, die zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Wirbelzustandes notwendig ist, beispielsweise eines solchen, bei dem weder nach unten ausgeregnet noch vom Gas nach oben ausgetragen wird, die Wirbelschicht also dauernd im Reaktor verbleibt, auch für eine konstante Teilchengröße eines bestimmten »suspendierten Stoffes« keine Konstante ist, sondem von der Größe der Wirbelkammer und insbesondere der Trägergaseinlaufdüse abhängt. Je größer die Düse ist, desto größer ist die erforderliche Trägergasgeschwindigkeit. It has now been found that the carrier gas velocity, the is necessary to maintain a certain vortex state, for example one in which neither rained down nor carried upwards by the gas the fluidized bed remains in the reactor permanently, even for a constant Particle size of a certain "suspended matter" is not a constant, it is depends on the size of the swirl chamber and in particular the carrier gas inlet nozzle. The larger the nozzle, the greater the carrier gas velocity required.

Weiter wurde festgestellt, daß man die besten Resultate erzielt, wenn man bei Vergrößerung der Wirbelkammer die in der Zeiteinheit zugeführte Trägergasmenge stärker als proportional mit dem Quadrat des Düsendurchmessers vergrößert, und zwar mit ungefähr der 2,5. Potenz des Düsendurchmessers anwachsen läßt. Diese Feststellung läßt sich auch so ausdrücken, daß die auf den hydraulischen Düsendurchmesser bezogene Froudesche Zahl für ein gegebenes Wirbelgut konstant bleiben muß. Die Froudesche Zahl ist das Verhältnis vom Quadrat der Trägermediumgeschwindigkeit zum Produkt aus Düsendurchmesser und Schwerebeschleunigung. It was also found that the best results are achieved if the amount of carrier gas supplied in the unit of time is increased when the vortex chamber is enlarged larger than proportionally with the square of the nozzle diameter, namely with about 2.5. Power of the nozzle diameter can increase. This finding can also be expressed in such a way that the relative to the hydraulic nozzle diameter Froude's number must remain constant for a given vortex. The Froude Number is the ratio of the square of the speed of the medium to the product from nozzle diameter and gravitational acceleration.

Bei größeren Apparaten, beispielsweise schon bei solchen mit Düsendurchmessern von 100 mm, sind demnach recht große Gasgeschwindigkeiten - in der Größenordnung von 25 bis 70 m/sec - erforderlich. Diese erteilen den am Fußpunkt derWirbelschicht befindlichen Teilchen außerordentlich hohe Impulse, so daß solche größere Reaktoren sehr hoch gebaut werden müssen, um die Stöße abzufangen und die Teilchen wieder nach unten zurückwirbeln zu lassen. Diese heftigen Bewegungen sind oft unerwünscht, insbesondere dann, wenn eine agglomerierende Wirkung erwünscht ist, wie dies bei der Granulierung in frei schwebender Wirbelsuspension der Fall ist. Außerdem erfordert die erhöhte Gasgeschwindigkeit große Energiemengen, um die Trägergasmenge durch die Düse hindurchzupressen. For larger devices, for example those with nozzle diameters of 100 mm, are therefore quite high gas velocities - of the order of magnitude from 25 to 70 m / sec - required. These give the at the foot of the fluidized bed particles located extremely high impulses, so that such larger reactors must be built very high in order to absorb the shocks and the particles again to let it spin back downwards. These violent movements are often undesirable, especially if an agglomerating Effect desired is, as is the case with granulation in free-floating vortex suspension is. In addition, the increased gas velocity requires large amounts of energy to generate the To force the amount of carrier gas through the nozzle.

Es wurde weiter festgestellt, daß man einen Apparat von gegebenen Dimensionen mit wesentlich geringerer Gasgeschwindigkeit in der Eintrittdüse beaufschlagen kann, wenn der untere Teil des diffusorförmigen Wirbelschachtes in geeigneter Weise unterteilt wird. Eine solche geeignete Unterteilung ist z. B. durch zitzenförmige Anordnung mehrerer kleiner Diffusorenstümpfe, die in eine gemeinsame Einlaufdüse münden, unter einer diffusorförmigen Wirbelkammer möglich. Eine andere, ebenfalls sehr zweckmäßige Unterteilung besteht in der Anbringung eines wabenförmigen Leitblechs im unteren Teil des Wirbeldiffusors. Eine Unterteilung des Stromes des Trägergases in mehrere Teilströme unterhalb des Rostes einer klassischen Wirbelschicht zwecks Vergleichmäßigung der Beaufschlagung des Rostes ist zwar bekannt. In diesem bekannten Fall handelt es sich aber nicht um frei schwebende wirbelnde Suspensionen, sondern um klassische Wirbelschichten, die auf einem Rost aufruhen. It was further established that one was given an apparatus of Apply a significantly lower gas velocity in the inlet nozzle to dimensions can, if the lower part of the diffuser-shaped vortex shaft in a suitable manner is divided. Such a suitable subdivision is e.g. B. by teat-shaped Arrangement of several small diffuser stumps that share a common inlet nozzle open under a diffuser-shaped vortex chamber. Another, too A very useful subdivision consists in the attachment of a honeycomb-shaped baffle in the lower part of the vortex diffuser. A division of the flow of the carrier gas in several partial streams below the grate of a classic fluidized bed for the purpose It is known to make the loading of the grate more uniform. In this well-known In this case, however, it is not a matter of free-floating swirling suspensions, but rather about classic fluidized beds that rest on a grate.

Erfindungsgemäß wird bei der Durchführung von physikalischen und/oder chemischen Reaktionen zwi schen Gasen und/oder Dämpfen einerseits und Feststoffen und/oder Flüssigkeiten andererseits in einer frei schwebenden wirbelnden Suspension, die in einem nach oben zu erweiterten rostlosen Reaktor, dem das Trägergas am unteren Ende durch eine Düse zugeführt und die vom aufwärts strömenden Gas- bzw. Dampfstrom frei schwebend getragen wird, wobei der Öffnungswinkel des Reaktors so bemessen ist, daß die Gasströmung mindestens über einen erheblichen Teil der Höhe des Apparates nicht von der Wand abreißt, durch Unterteilung des Gas stromes im unteren Teil des Reaktors und/oder Abstimmung der Trägergasgeschwindigkeit das Verhältnis vom Quadrat der Trägergasgeschwindigkeit zum Produkt aus Düsendurchmesser und Schwerebeschleunigung in den Grenzen von 500 bis 5000 gehalten. According to the invention when performing physical and / or chemical reactions between gases and / or vapors on the one hand and solids and / or liquids on the other hand in a free-floating swirling suspension, which is in a rustless reactor which is extended upwards and which has the carrier gas at the bottom End fed through a nozzle and that of the upward flowing gas or steam stream is borne freely floating, the opening angle of the reactor so dimensioned is that the gas flow is at least over a considerable part of the height of the apparatus does not tear off the wall, by dividing the gas flow in the lower part of the Reactor and / or adjustment of the carrier gas velocity the ratio of the square the carrier gas velocity to the product of the nozzle diameter and acceleration due to gravity kept within the limits of 500 to 5000.

Die beiden verschiedenen Unterteilungsmöglichkeiten der Vorrichtung gemäß der Erfindung sind an Hand der Zeichnungen schematisch und beispielsweise näher erläutert. The two different ways of subdividing the device according to the invention are with reference to the drawings schematically and by way of example explained in more detail.

In Fig. 1 stellt 3 den Wirbelreaktor dar, unter dem sieben kleinere Diffusorstümpfe 2 angeordnet sind, die in einen gemeinsamen Diffusor3 münden. Das Trägermedium wird durch die Leitung 4 über die Windkammer S und Teilwindkammern 6 den Diffusorstümpfen 2 zugeleitet. In Fig. 1, 3 represents the vortex reactor, among which seven smaller ones Diffuser stumps 2 are arranged, which open into a common diffuser3. That The carrier medium is conveyed through the line 4 via the wind chamber S and partial wind chambers 6 fed to the diffuser stumps 2.

Fig. 2 ist ein Schnitt durch Fig. 1 längs der Linie A-A. Figure 2 is a section through Figure 1 along the line A-A.

Fig. 3 stellt den senkrechten Schnitt durch einen anderen Wirbelreaktor 1 dar, dem ebenfalls über die Leitung 4 und die Windkammer 5 das Trägergas zugeführt wird. Im unteren Teil des Reaktors sind wabenförmige Leitbleche 7 angeordnet, welche den durch die Eintritts düse 8 aufsteigenden Gasstrom unterteilen. Fig. 3 shows the vertical section through another vortex reactor 1, which is also supplied with the carrier gas via the line 4 and the wind chamber 5 will. In the lower part of the reactor honeycomb-shaped baffles 7 are arranged, which divide the gas flow rising through the inlet nozzle 8.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt längs der Linie B-B der Fig. 3 für eine Ausführungsform dieser Leitbleche. Fig. 4 shows a section along the line B-B of Fig. 3 for a Embodiment of these baffles.

Andere Ausführungsformen der Leitbleche sind in Fig. 5 und Fig. 6 beispielsweise dargestellt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 ist der schraffiert dargestellte innerste Teil abgedeckt. Other embodiments of the baffles are shown in FIGS. 5 and 6 for example shown. In the embodiment according to FIG. 6, this is hatched shown innermost part covered.

Besonders zweckmäßig ist es, die Unterteilung so vorzunehmen, daß sich Elemente von ungefähr gleichem mittlerem hydraulischem Durchmesser ergeben; wobei- der hydraulische Durchmesser in bekannter Weise als das Verhältnis des vierfachen Querschnitts zum Umfang definiert ist. Vorzugsweise wird die Unterteilung so vorgenommen, daß sich unabhängig von den sonstigen Apparatedimensionen ein hydraulischer Durchmesser von rund 80 mm für das Einzelelement, an dessen unterem Ende gemessen, ergibt. It is particularly useful to make the subdivision so that elements with approximately the same mean hydraulic diameter result; where- the hydraulic diameter in a known manner as the ratio of four times Cross-section is defined to the circumference. The subdivision is preferably made in such a way that that there is a hydraulic diameter regardless of the other dimensions of the apparatus of around 80 mm for the single element, measured at its lower end.

Die erfindungsgemäße Unterteilung bewährt sich besonders bei der Anwendung der Venturi-Wirbelreaktoren auf die Granuliertrocknung, d. h. auf die Erzeugung gröberer trockenerAgglomerate aus durch Befeuchten krümelig gemachten feinkörnigen Produkten in frei schwebender Wirbelsuspension. Bei solchen Granuliertrocknern ist es üblich, den Austrag nach unten durch die Düse hindurch durch Ausregnen vorzunehmen. Hier ordnet man die Leitflächen und die Trägergasbeaufschlagung so an, daß die Froudesche Zahl - bezogen auf den unteren hydraulischen Durchmesser des Teilelements - ungefähr den Wert von 1000 annimmt. The subdivision according to the invention is particularly useful in Application of the Venturi vortex reactors to granulation drying, d. H. on the Generation of coarser dry agglomerates from crumbly agglomerates made by moistening fine-grained products in free-floating vortex suspension. With such granulation dryers it is common to carry out the discharge down through the nozzle by raining. Here one arranges the guide surfaces and the carrier gas admission so that the Froude Number - based on the lower hydraulic diameter of the sub-element - approximately takes the value of 1000.

Die erfindungsgemäße Unterteilung des Gasstromes im unteren Teil des Wirbelreaktors ermöglicht es aber auch, bei Wirbelschichten geringerer Teilchenkonzentration, bei denen der Austrag durch das Gas nach oben zu erfolgt, eine höhere Verweilzeit zu erzielen, wobei sich Wirbelsuspensionen mit höheren Teilchenkonzentrationen ausbilden lassen. The subdivision of the gas flow according to the invention in the lower part of the fluidized reactor also makes it possible, in fluidized beds with a lower particle concentration, in which the gas is discharged upwards, a longer residence time to achieve, with vortex suspensions forming with higher particle concentrations permit.

Auch für Wirbelschichten, bei denen der suspendierte Stoff aus einer Flüssigkeit besteht, wo also durch den Trägergasstrom eine Flüssigkeitsmasse zu kleinen deformierten Tröpfchen auseinandergerissen wird, welche in Form einer wirbelnden Suspension im aufwärts steigenden Gas strom schweben, hat sich die erfindungsgemäße Unterteilung bewährt. Insbesondere läßt sich durch die erfindungsgemäße Maßnahme der Durchbruch grober Gasblasen wirksam vermeiden, und man kann auch sonst Flüssigkeitsmengen homogen verteilt durchwirbeln. Also for fluidized beds, in which the suspended matter consists of a There is liquid, so where a mass of liquid is added by the carrier gas flow small deformed droplet being torn apart, which in the form of a swirling Suspension floating in the upwardly rising gas stream, the invention has Subdivision proven. In particular, the measure according to the invention the breakthrough of coarse gas bubbles can be effectively avoided, and other quantities of liquid can also be used whirl through homogeneously distributed.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Unterteilung des diffusorförmigen Wirbelreaktors besteht darin, daß man schon im unteren Teil einen größeren Öffnungswinkel verwenden kann als ohne diese Maßnahme, so daß selbst dann, wenn der Öffnungswinkel über die ganze Höhe konstant bleibt, niedrige Bauhöhen ein gegebenes Fassungsvolumen des Apparates ergeben. Ganz allgemein läßt sich auch die Bauhöhe durch diese Maßnahme stark verringern. A particular advantage of the subdivision according to the invention of the diffuser-shaped Vortex reactor consists in the fact that one already has a larger opening angle in the lower part can use than without this measure, so that even if the opening angle remains constant over the entire height, low construction heights a given volume of the apparatus. In general, the overall height can also be reduced by this measure greatly decrease.

Die Erfindung wird an Hand des nachstehenden Ausführungsbeispieles noch näher erläutert. The invention is based on the following exemplary embodiment explained in more detail.

In eine Wirbelkammer mit einem Düsendurchmesser von 210 mm, welche sich mit einem Winkel von 120 öffnete und die eine Höhe von 5 m hatte, wurde ein Trägergasstrom von 2500 Nma auf 7000 C erhitzte Luft eingeleitet (74 m/sec). Wurden in diese Wirbelkammer 50 kg feste Partikeln von 1 mm Korngröße und einem spezifischen Gewicht von 2,2 eingefüllt, so bildete sich eine heftig wirbelnde Schicht aus, bei der dauernd einzelne Teilchen besonders hohe Impulse erhielten, so daß sie mit dem Trägergasstrom mitgerissen wurden. Die Folge davon war, daß nach etwa 2 Minuten Wirbeldauer nur mehr 20 kg des anfangs eingefüllten Vorrats im Apparat verblieben. Wurde weniger Trägergas angewendet, so fielen die Partikeln nach unten durch. Nun wurde in den Apparat ein sternförmig ausgebildetes Leitblechelement gemäß Fig. 3 und 4 so eingesetzt, daß, 40 cm über der Einlaufdüse beginnend, die Wirbelkammer auf eine Strecke von 80 cm in sechs segmentartige Teile aufgespalten wurde. Die Gasmenge konnte jetzt auf 1500 Nm3/h reduziert werden. In a vortex chamber with a nozzle diameter of 210 mm, which opened at an angle of 120 and which had a height of 5 m, became a Carrier gas flow of 2500 Nma to 7000 C heated air introduced (74 m / sec). Became in this vortex chamber 50 kg of solid particles of 1 mm grain size and a specific one Filled with a weight of 2.2, a violently swirling layer formed at which constantly individual particles received particularly high impulses, so that they with the Carrier gas stream were entrained. The consequence of this was that after about 2 minutes Vortex duration only 20 kg of the initially filled supply remained in the apparatus. If less carrier gas was used, then so the particles fell afterwards down through. Now a star-shaped baffle element was inserted into the apparatus 3 and 4 used so that, starting 40 cm above the inlet nozzle, the Vortex chamber split over a distance of 80 cm into six segment-like parts became. The amount of gas could now be reduced to 1500 Nm3 / h.

Wurden wieder 50 kg der vorhin erwähnten 1-mm-Partikeln eingetragen, so bildeten diese eine Wirbelsuspension, die praktisch verlustfrei dauernd im Apparat durchgewirbelt wurde. Im ersten Fall mußte das Trägergas eine Pressung von 580 mm besitzen, um den Apparat zu durchströmen und das Anfangsgewicht zu tragen. Im zweiten Fall=waren lediglich 380 mm WS hierfür notwendig.If 50 kg of the previously mentioned 1 mm particles were entered again, in this way they formed a vortex suspension that was practically loss-free in the apparatus was whirled through. In the first case, the carrier gas had to have a pressure of 580 mm have to flow through the apparatus and carry the initial weight. In the second Case = only 380 mm WS were necessary for this.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Process for performing physical and / or chemical reactions between gases and / or vapors on the one hand and solids and / or liquids on the other hand in a free-floating swirling suspension, which is in a rustless reactor which is extended upwards and which has the carrier gas at the bottom End is fed through a nozzle, from the upward flowing gas or steam stream is borne freely floating, the opening angle is such that the gas flow at least over a substantial part of the height of the apparatus not from the wall tears off, characterized in that by dividing the gas flow in the lower Part of the reactor and / or matching the carrier gas speed the ratio from the square of the carrier gas velocity to the product of the hydraulic nozzle diameter and gravitational acceleration is kept within the limits of 500 to 5000.

2. Apparatus for performing the method according to claim 1, consisting from a rust-free, upwardly extended reactor, a feed device for the solid and / or liquid substance to be treated, a deduction for the consumed Carrier gas, a wind chamber arranged under the reactor with a feed line for the carrier gas and an inlet nozzle for the carrier gas into the reactor by a device (2, 7) for the subdivision of the ascending carrier gas flow into several substreams in the lower part of the vortex reactor.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the dimensions the distribution device for the subdivision of the gas flow are dimensioned so that distributor elements with approximately the same mean hydraulic diameter result.

4. Device according to claims 2 and 3, characterized in that that the dimensions of the distribution device for the gas flow are dimensioned so that the mean hydraulic diameter of each distributor element is about 80 mm.

5. Device according to claims 2 to 4, consisting of an im lower part of the vortex reactor (1) built-in honeycomb distributor star (7).

6. Apparatus according to claim 5, characterized in that the distributor star contains a central element.

7. Apparatus according to claim 6, characterized in that the central element of the distributor star is sealed gas-tight.

8. Device according to claims 2 to 4, characterized in that that the distribution device for the gas flow from a number arranged side by side Diffuser stumps (2) consists.

9. Apparatus according to claim 8, characterized in that the diffuser stumps (2) open into a common inlet nozzle (3).

10. Device according to claims 2, 3 and 5 to 9, characterized in that that the number of distributor elements (2, 7) and their dimensions are chosen so that for a selected gas velocity on the hydraulic diameter on lower part of the distribution elements related Froude number - regardless of the absolute size of the device - remains constant.

Publications considered: German Auslegeschriften No. 1028 541, 1033187; British Patent No. 659048.